ברזל הוא אחד היסודות השופעים ביקום, יחד עם יסודות קלים יותר כמו מימן, חמצן ופחמן. בחלל הבין-כוכבי אמורות להיות כמויות שפע של ברזל בצורת הגזים שלו. אז מדוע, כאשר האסטרופיזיקאי מביט אל החלל, הם רואים כל כך מעט ממנו?
ראשית, יש סיבה שברזל כל כך בשפע, וזה קשור לדבר באסטרופיזיקה שנקרא שיא הברזל.
ביקום שלנו, יסודות שאינם מימן והליום נוצרים על ידי נוקלאוזינתזה בכוכבים. (מימן, הליום, וכמה ליתיום ובריליום נוצרו בגרעין של המפץ הגדול). אך היסודות אינם נוצרים בכמויות שוות. יש תמונה שעוזרת להראות זאת.
הסיבה לשיא הברזל קשורה לאנרגיה הדרושה לאיחוי גרעיני ולביזוי גרעיני.
עבור היסודות הקלים מברזל, משמאלו, היתוך משחרר אנרגיה והביקוע צורך אותו. עבור אלמנטים כבדים מברזל, מימינו, ההפך הוא הנכון: ההיתוך שלו הצורך אנרגיה, והביקוע שמשחרר אותו. זה בגלל מה שמכונה אנרגיה קשירה בפיזיקה אטומית.
זה הגיוני אם אתה חושב על כוכבים ואנרגיה אטומית. אנו משתמשים בביקוע כדי לייצר אנרגיה בתחנות כוח גרעיניות עם אורניום, שהוא הרבה יותר כבד מברזל. כוכבים יוצרים אנרגיה באמצעות היתוך, באמצעות מימן, שהוא הרבה יותר קל מאשר ברזל.
בחייו הרגילים של כוכב נוצרים יסודות עד וכולל ברזל על ידי נוקלאוזינתזה. אם אתה רוצה אלמנטים כבדים יותר מברזל, אתה צריך לחכות לסופרנובה להתרחש, ולגרעינת הסופרנובה שנוצרה. מכיוון שהסופרנובות נדירות, היסודות הכבדים נדירים יותר מאלמנטים הקלים.
אפשר להקדיש זמן יוצא דופן לירידה בבור הארנב של הפיזיקה הגרעינית, ואם כן תיתקל בכמות עצומה של פרטים. אך בעיקרון, מהסיבות לעיל, ברזל נמצא יחסית בשפע ביקום שלנו. זה יציב, וזה דורש כמות עצומה של אנרגיה כדי למזג ברזל לכל דבר כבד יותר.
מדוע איננו יכולים לראות זאת?
אנו יודעים כי ברזל בצורה מוצקה קיים בגרעינים ובקרום כוכבי הלכת כמו שלנו. ואנחנו גם יודעים שזה נפוץ בצורת גזים בכוכבים כמו השמש. אבל העניין הוא שזה אמור להיות נפוץ בסביבות בין-כוכבים בצורת הגזים שלה, אבל אנחנו פשוט לא יכולים לראות את זה.
מכיוון שאנו יודעים שהוא צריך להיות שם, המשמעות היא שהיא עטופה בתהליך אחר או בצורה מוצקה או במצב מולקולרי. ולמרות שמדענים חיפשו כבר עשרות שנים, ואף על פי שזה אמור להיות המרכיב הרביעי-השופע בתבנית השפע של השמש, הם לא מצאו אותו.
עד עכשיו.
עכשיו צוות של קוסמוכימיסטים מאוניברסיטת מדינת אריזונה אומרים שהם פתרו את תעלומת הברזל החסר. הם אומרים שהברזל הסתתר באופק, בשילוב עם מולקולות פחמן בדברים שנקראים פסאודוקארבינים. ו Pseudocarbynes קשה לראות כי הספקטרום זהה למולקולות פחמן אחרות שיש בשפע בחלל.
צוות המדענים כולל את הסופר הראשי פילארסטי טארקשאר, פרופסור חבר למחקר בבית הספר למדעים מולקולריים של ASU. שני החברים האחרים הם פיטר בוסק ופרנק טימס, שניהם בבית הספר לכדור הארץ וחקר החלל של ASU. מאמרם נקרא "על המבנה, תכונות מגנטיות וספקטרות אינפרא אדום של פסאודוקארבינים מברזל במדיום הבין-כוכבי" ומתפרסם בכתב העת Astrophysical.
"אנו מציעים סוג חדש של מולקולות שעלולות להיות נפוצות במדיום הבין-כוכבי," אמר Tarakeshwar בהודעה לעיתונות.
הצוות התמקד בברזל גזי ואיך שרק מעט אטומים ממנו עשויים להצטרף לאטומי פחמן. הברזל ישתלב עם שרשראות הפחמן, והמולקולות שהתקבלו היו מכילות את שני היסודות.
הם בדקו גם עדויות אחרונות לאשכול אטומי ברזל בסטרסטוסט ובמטאוריטים. בחלל הבין-כוכבי, שם קר מאוד, אטומי הברזל האלה פועלים כמו "גרעיני עיבוי" לפחמן. אורכים מגוונים של שרשראות הפחמן היו נדבקים אליהם, ותהליך זה ייצר מולקולות שונות מאלו שיוצרו בברזל גזי.
לא יכולנו לראות את הברזל במולקולות האלה, מכיוון שהם מתחפשים למולקולות פחמן ללא ברזל.
בהודעה לעיתונות, אמר Tarakeshwar, "חישבנו איך ייראו הספקטרום של מולקולות אלה וגילינו שיש להם חתימות ספקטרוסקופיות כמעט זהות למולקולות של שרשרת פחמן ללא ברזל." הוא הוסיף כי בגלל זה, "תצפיות אסטרופיזיות קודמות יכולות היה להתעלם ממולקולות הפחמן-פלוס-ברזל האלה."
כדורי קיבה ועציצים
לא רק שהם מצאו את הברזל "החסר", הם אולי פתרו תעלומה נוספת ארוכת שנים: שפע מולקולות שרשרת פחמן לא יציבות בחלל.
שרשראות פחמן שיש בהן יותר מתשעה אטומי פחמן אינן יציבות. אך כאשר מדענים משקיפים אל החלל, הם מוצאים שרשראות פחמן עם יותר מתשעה אטומי פחמן. זו הייתה תמיד תעלומה כיצד הטבע הצליח ליצור שרשראות בלתי יציבות אלה.
מסתבר שזה הברזל שנותן לשרשראות הפחמן האלה את היציבות שלהן. "שרשראות פחמן ארוכות יותר מתייצבות על ידי תוספת אשכולות ברזל", אמר בוסק.
לא רק זה, אלא שממצא זה פותח מסלול חדש לבניית מולקולות מורכבות יותר בחלל, כמו פחמימנים פוליארומטיים, אשר נפטלין הוא דוגמא מוכרת, והוא המרכיב העיקרי בכדורי העש.
טימס אמר, "העבודה שלנו מספקת תובנות חדשות לגישור על הפער הפיהוק בין מולקולות המכילות תשע או יותר אטומי פחמן ומולקולות מורכבות כמו C60 buckminsterfullerene, הידוע יותר בשם 'כדורי באקי'."
מקורות:
- הודעה לעיתונות: ברזל בין כוכבי לא חסר, הוא מסתתר רק באופק
- נייר מחקר: על המבנה, התכונות המגנטיות והספקטרום האינפרא אדום של פסאודוקארבינים מברזל במדיום הבין-כוכבי
